关于霍金,你所应该知道的

作者: 高黑 | 来源:发表于2018-07-06 18:47 被阅读65次

中国人讲究盖棺定论,霍金已经仙逝数月,仅以此文作为纪念。

霍金是自爱因斯坦以来最伟大的物理学家吗?

对于很多人来说,最知名的物理学家排名前三的会是:牛顿、爱因斯坦和霍金。大家觉得霍金是爱因斯坦以后,最伟大的物理学家。其实这个说法并不准确。

如果把物理学比作一个大厦,那么类似牛顿、爱因斯坦这种就是总设计师,而大部分其他物理学家只是在这个大厦里面工作,有的造一层楼,有的造一扇窗。

物理学历史上,总共出现了四座大厦:古希腊物理学、经典力学、相对论和量子力学,亚里士多德、牛顿、爱因斯坦、波尔及其弟子海森堡等分别是总设计师。自爱因斯坦、波尔这批人之后,物理学尚未出现第五座大厦,可以说自那以后所有的物理学家都是在相对论和量子力学大的框架下工作,虽然有很多人试图突破建造新的大厦。

如果仅仅说物理学成就,业内普遍认为至少费曼、温伯格、杨振宁这些成就比霍金更大。

但毫无疑问的是,霍金是牛顿和爱因斯坦以后名气最大的物理学家,这多半是因为他的科普著作,尤其是《时间简史》,卖了几千万册。说霍金是有史以来最伟大的科普物理学家,是没有疑义的。

霍金的主要成就是什么?

霍金的主要有四个:奇性定理、无边界宇宙模型、黑洞力学和霍金辐射。

1、奇性定理

这是霍金的成名之作,他和彭罗斯一起证明了,只要广义相对论正确,宇宙就必然有一个奇点,时间必然有一个开端。霍金虽然不是大爆炸理论的提出者和验证者,但是奇性定理从理论上对大爆炸假说做出了重大贡献,两人因此获得了1988年的沃尔夫物理奖。霍金因此一度被认为最懂相对论的人。

2、无边界宇宙模型

奇点总会触及一个自然而然的问题,奇点之前是什么?宗教人士甚至认为这给上帝留下了位置,80年代有一次教皇参加物理学会议,说奇点之后的事你们随便研究,奇点之前归上帝,你们就不要管了。

霍金认为在宇宙足够小时,应该引入量子力学,所以他把相对论和量子力学结合起来,又创造性的使用了虚时间和对宇宙历史求和的概念,这样就把宇宙处理成了一个无边界的球,奇点类似南极点,你问南极点以南是什么,是没有意义的。这样整个宇宙就可以无中生有,没有起点也有没有终点,因此也就不需要上帝了。霍金开玩笑说,教皇一定没有认真听报告。

值得注意的是,这只是霍金提出的一个假说,并没有得到物理学界的普遍认可,更无从验证,尽管霍金本人认为这是他最大的成就,其意义可类比为日心说、相对论。

3、黑洞面积不减定律

黑洞概念并非霍金第一个提出来的,很多科学家一起还发明了黑洞四定律,对应热力学四定律。而其中就有霍金的黑洞面积不减定律,即黑洞的表面积绝不会随着时间减小,对应于热力学第二定律:孤立系统的熵永不减少。

4、黑洞辐射

这是公认的霍金所有研究成果中含金量最大的一个。

传统上我们认为一切物质掉进黑洞就再也出不来,黑洞的质量只会增加不会减少。但是霍金考虑到量子力学的效应,就发现“黑洞不是这么黑的”。 量子力学要求真空中随时都在发生正反粒子的产生和湮灭,即平白无故地会产生一个正的粒子和它的反粒子,然后这两个粒子马上又合在一起消失不见,整个过程稍纵即逝。 考虑到这一点,霍金说,如果正反粒子的产生和湮灭是正好发生在黑洞的边缘,那么会有一种巧合,一对粒子刚刚产生还没有来得及湮灭的时候,正好其中一个粒子因为距离黑洞稍微近了一点而被拉近了黑洞,而另一个粒子因为距离黑洞稍微远了一点就被留在了黑洞之外。

这样,世界上凭空多了一个粒子。整个过程就好像是黑洞辐射出来一个粒子一样,当然真实情况是黑洞释放了一个真空中凭空产生的粒子。 这个过程就叫“霍金辐射”。

霍金为什么没获诺贝尔奖?

这牵扯到诺贝尔奖颁奖的标准,而且,要说清楚这个,还得简要说一下科学史。

人类在17世纪之前,如果说有科学的话,一直是被亚里士多德范式所统治的,这个范式有三个最大的特点:

1)只有通过逻辑推理才能得到正确的理论,类似欧几里得几何学,提出公理假设,然后步步推导;

2)不能做实验,因为人为的和自然的是不同的,实验室正确的东西,在自然界不一定正确;

3)少用数学,因为数学只能处理连续性问题,从量变到质变没法用数学表达。

我们今天或许觉得亚里士多德时代的人都很愚昧,其实那是因为我们有了后见之明,在当时,人们认为这是最先进的思想。

后来的事我们都知道了,从培根、伽利略、笛卡尔、牛顿这批人开始,人类进入了现代科学时代,其范式正好和亚里士多德范式相反:

1)从现实的观察中归纳总结出假说;

2)用实验去验证;

3)尽量用数学来表达规律。

这其实就是胡适总结的:大胆的假设,小心的求证。

假说求证体系极大的解放和拓展了人类的认知能力,你可以提出任何假说,只要验证了就认为你正确,而且由于大量的使用数学又极其方便应用,因而催生了工业革命的出现。

回到诺贝尔,诺贝尔物理学奖毫无疑问是科学奖,而科学理论是否正确的重要标准就是必须得到验证,你必须能够预测一个别的理论都预测不出来的现象,然后通过观测去验证,观测到了,就说你正确,观测不到,对不起,至少暂时存疑。

霍金研究的是宇宙物理学,首先这是无法做实验的,你没法模拟宇宙的大爆炸。科学界对天体物理学理论或者假说是否正确的评判是,你做出预测,然后观测。比如有物理学家用数学推导出宇宙中应该存在来自100多亿年前的微波辐射,后来检测到了,从而证实了大爆炸理论。

最有希望的黑洞辐射效应非常微弱,我们目前所有的技术还探测不到,所以仍然处于假说阶段。

不过,霍金拿了除诺贝尔奖之外的几乎所有重要的物理奖项 。

霍金为什么这么红?

霍金这么红,毫无疑问和他出色的科普著作有关,尤其相对论和量子力学太反常识了,一代代科学家们急不可耐的要把这些理论和洞见以及对人类认知的冲击介绍给大众。爱因斯坦、薛定谔、海森堡、温伯格、彭罗斯、戴维斯、兰道尔,这个名单很长。

尽管这些科学家的书,加起来其销量或许还不如一本《时间简史》,但书的质量,不管是知识性还是趣味性,并不比霍金的作品差。

那是不是因为霍金的形象和立志精神。客观的说,的确有这个因素,但这应该也不是最重要的,仅仅如此,就算再加上其科普书籍,也不足以让他被安葬在威斯敏斯特大教堂,与牛顿和达尔文毗邻安息。

霍金之所以这么红,毫无疑问原因是多方面的,除了上述原因之外,我认为最重要的还是他带领大家一起思考和探索了一些大问题,并从科学的角度做出了回答。

这些问题包括:

我们的宇宙是如何诞生的?是上帝创造的吗?大爆炸之前是什么样子?

科学规律是如何产生的?科学规律有例外吗?有没有一个大一统的规律可以解释时间万物?

人类是如何出现的?人类和宇宙的未来如何?

这几乎是我们能问出来的最大的问题了。

霍金是个什么样的人?

这是一个见仁见智,而且可以从方方面面入手去谈的话题。

我最想说的是,霍金是个极其睿智、乐观和幽默的人。我最喜欢的例子是下面这个。

2015年4月,霍金通过SD全息投影技术,参加了在一场澳洲举办的科学讲座。讲座一直围绕着各种宏大的科学议题展开,比如黑洞、人工智能,要不要移民外星球等。快结束时,有人给霍金提了一个恶搞的问题:“单向乐队(One Direction,一个欧美比较流行的乐队)的成员Zayn离开乐队了,让全球无数少女心碎不已,这件事会产生怎样的宇宙效应呢?”

正当大家哄笑一团时,没想到霍金没有一丝顾虑,迅速开始了回答。

“Finally, a question about something important.”

“终于有人丢了个至关重要的问题啊!”

“My advice to any heartbroken young girl is to pay close attention to the study of theoretical physics. Because one day there may well be proof of multiple universes.”

“对于那些个心碎神伤的女孩子们,我的建议是,一门心思扑到理论物理上,因为也许某天多重宇宙就被证明真的存在了。”

“It would not be beyond the realms of possibility that somewhere outside of our own universe lies another different universe.”

“在我们现在的宇宙之外,还存在这另一个完全不同的宇宙,这并不是没有可能的事情。”

“And in that universe, Zayn is still in One Direction.”

“在另一个平行宇宙里,Zayn仍然是One Direction的一份子。”

“This girl may like to know that in another possible universe, she and Zayn are happily married.”

“而且在另一个宇宙,也许心碎的女孩跟Zayn还能结为夫妻呢。”

读到这个故事,第一遍笑,多读后,想哭。

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